（材料学专业论文）锦屏大坝混凝土集料种类和尺寸对界面结构及抗渗性能的影响.pdf

东南大学颤上学位沧文 摘要 锦屏大坝混凝土集料种类和尺寸对界面结构 及抗渗性能的影响 我国每年混凝十的产量巨大，但混凝土可用的集料越来越少。而社会对节约资源、可持 续发展的要求却越来越高。如何牵q 用中低品位集料是雅砻江大坝建设迫切需要解决的关键问 题。大坝混凝士有着集料粒径大的特点。大尺寸集料大量选用，也带来了不可避免的集料分 离。在实际工程中，混凝土的配合比和施工工艺也很大程度地影响了集料分离的程度。集料 分离部位的浆体呈现出多孔、疏松等特性，而集料分离的最终结果，使得混凝土力学以及抗 渗性能的变差。大坝混凝土中，随着集料尺寸的变化，集料一浆体界面过渡区的厚度也会发 生变化。而且大粒径集料在沉降过程中下方容易形成水囊，使得局部水灰比变大。水灰比的 变化很大程度上影响着基体以及过渡区的性能。因此，集料的种类和尺寸都会对混凝士的抗 渗性产生影响。 本文选用大理岩a 和砂岩a 作为对比试验所用集料，对雅砻江大坝可能选用的大理岩 b 、砂岩b 两种集料的集料浆体界面结构和尺寸影响下的混凝土抗渗性能进行了研究。 在对4 类集料的物理化学性质进行分析后，从集料一浆体界面过渡区产物形貌、元素组 成、孔分布、未水化水泥颗粒分布等方面，比较研究了大理岩、砂岩2 种共4 类集料的界面 过渡区特征。通过界面抗折，界面抗拉界面抗氯离子渗透和界面表面吸水等试验，研究了 集料种类影响下的界面区力学性能和抗渗性；利用背散射电子图像、显微硬度、能谱分析和 体视显微镜等手段研究了骨料尺寸影响下的界面区结构。并测试了等体积分数、不同尺寸的 集料配制出来的混凝土的抗渗性：对集料尺寸、石粉以及粉煤灰影响下的混凝土抗渗性进行 了研究，分为抗氯离子渗透性和抗水渗性沔部分，得出下列结论： 大理岩a 和大理岩b 的集料一浆体界面有着大量的c a ( o h ) 2 富集；而砂岩a - 浆体界面处只 能找到少量的c a ( o h ) 2 结晶，砂岩b 浆体界面虽然有c a ( o h h 富集，但并没有明显的取向。 砂岩a 集料浆体界面处大量存在着数十到上百微米的太孔。而大理岩a 、大理岩b 和 砂岩b 的集料一浆体界面处并没有出现上述大孔，推断砂岩a - 浆体界面处的大孔是由于砂岩 a 本身的高吸水率造成的，大坝选用的砂岩b 较低的吸水率虽然未能避免c o h ) 2 晶体在 界面处富集，但避免了界面处出现大孔，最终保证了其与浆体相对良好的界面结构。 大理岩a 浆体界面抗折强度和抗渗性明显高于砂岩a 浆体界面。对于大坝所选用的大 理岩b 和砂岩b ，其界面力学性能以及混凝上抗渗性差别不大。 小尺寸集料下方的孔隙率比大尺寸集料下方的孔隙率要小，而小尺寸集料下方的显微硬 度和未水化水泥颗含量粒则比大尺寸集料下方的高。 片状集料下方的砂粒平均距离要比球形的高得多。大尺寸集料下方的砂粒距骨料的平 东南 学硕二学位沧文 均距离明显高于小尺寸集料下方的砂粒平均距离。此外，大理岩a 和砂岩a 尺寸影响下的 集料上下方砂粒分布情况是相似的。可知，微区泌水带来的闽液分离与集料的种类关系不大， 而与尺寸和形状有着直接的关系。 大集料配制的混凝土试什电通量明显高于小集料配制的混凝土试件的电通量。可见，微 区泌水对混凝土抗渗性的影响是显著的。 掺加水泥用量1 0 的石灰石粉后，混凝土截面孔隙率明显降低。且大集料混凝土抗氯 离子渗透性有显著提高。此外，混凝土电通量随着石粉的细度变小而略微降低。但石粉掺量 提高到2 0 的时候，改善作用将有所减小，原因可能在于微小的颗粒比重增大，造成细组 分级配不良，最终影响到混凝土的抗渗性。 粉煤灰对c r 的固化能力一定程度改善了混凝土的抗氯离子渗透性。然而，在早期，粉 煤灰对混凝土的抗水渗透性并不利，掺量在o - 3 0 的范围内，混凝土的透水高度随着粉煤灰 掺量的增加而升高。而对于石粉来说，t o 仍然是一个最优掺量，混凝土在这个掺量下的透 水高度最小。原因在于，石粉的粒度比粉煤灰细很多，这更有利于填充细组分的空隙，达到 颗粒合理分布的目的，最终保证混凝土的抗渗性。 关键词：大理岩，砂岩，界面过渡区，集料尺寸，抗渗性，石粉，粉煤灰 i i 东南人学硕+ r 学位论r a b s t r a c t m a s sc o n c r e t ei sp r o d u c e di nc h i n ae v e r yy e a r , b u tt h e r ea r el e s sa n dl e s sa g g r e g a t e s a v a i l a b l ef o rc o n c r e t e h o w e v e lw i t ht h eh i g l l e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n to fe c o n o m i z i n g r e s o u r c ea n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nc h i n e s es o c i e t y , h o wt om a k eg o o du s eo ft h el o w q u a l i t ya g g r e g a t e si ny a l o n gr i v e rd a mc o n s t r u c t i o nr e q u i r e sa nu r g e n ts o l u t i o n d a mc o n c r e t ei sm a d eo fm a n yl a r g ea g g r e g a t e s ，a tt h es a l n et i m e ，i tb r i n g sa ni n e v i t a b l y s e g r e g a t i o no f a g g r e g a t e s e i t h e r t h ep r o p o r t i o no f c o n c r e t eo rc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y i n f l u e n c e s t h es e g r e g a t i o no f a g g r e g a t e s t h em o r t a rb e t w e e ng a t h e r i n ga g g r e g a t e se x h i b i t sh i g hp o r o s i t ya n d l o o s ec h a r a c t e r i s t i c s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dp e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t eb e c a m ew e a k e rd u e t ot h es e g r e g a t i o no f a g g r e g a t e s i nd a mc o n c r e t e ，i t z ( i n t e r r a c i a lt r a n s i t i o nz o n e ) a r o u n dd i f f e r e n ts i z e so f a g g r e g a t e sa p p e a r s d i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sd u et ow a l le f f e c ta n dm i c r o b l e e d i n g w a t e rb u r s a sw i l lf o r mu n d e rt h e l a r g e s i z ea g g r e g a t e sd u r i n gt h ep r o c e s so fs e d i m e n t a t i o n ，t h ew a t e rt 0c e m e n tr a t i oi nl o c a la r e a u n d e ra g g r e g a t e sb e c o m e sh i g h e r , a n di tw i l ld e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo f i t z b o t ho fa g g r e g a t et y p ea n ds i z ew o u l da f f e c tt h ep e r m e a b i l h yo fc o n c r e t e ，1 1 1 es t r u c t u r eo f i t za n dp e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t ei n f l u e n c e db ya g g r e g a t et y p ea n ds i z ew e l - es t u d i e di nt h i sa r t i c l e ， w h e r em a r b l e 0 3 ) a n ds a n d s t o n e 0 3 ) w o u l db ep r o b a b l ys e l e c t e di nt h ec o n s t r u c t i o n so fy a l o n g r i v e rd a m a n dm a r b l e ( a ) a n ds a n d s t o n e ( a ) w e r ef o rc o m p a r i s o n a f t e rt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ff o rt h ea g g r e g a t e sw e r ea n a l y z e d ，t h ei t z c h a r a c t e r i s t i c so fm a r b l ea n ds a n d s t o n ea g g r e g a t e sw e r ec o m p a r e df r o mf o l l o w i n ga s p e c t sa n d m e t h o d s ：m o r p h o l o g yo fh y d r a t i o np r o d u c t sb ys e m ，e l e m e n t sr a t i oo fc aa n ds ib ye d a x ， c a ( o h ) 2c r y s t a l l i n eo r i e n t a t i o ni n d e xb yx r d ，p o r es t r u c t u r eb yb a c k s c a t t e r e de l e c t r o ni m a g i n g a n ds t e r e om i c r o s c o p e a na t t e m p th a db e e nm a d et oc o m p a r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d t r a n s p o r tp r o p e r t i e so f1 t zb yt w om e t h o d s b e n d i n gs t r e n g t ha n dc h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t y i t z i n f l u e n c e db yt h em i c r o - b l e e d i n gu n d e rt h ed i f f e r e n ts i z eo fa g g r e g a t e sw e r ei n v e s t i g a t e db y m i c r o - h a r d n e s s ，b a c k s c a t t e r e de l e c t r o ni m a g i n ga n ds e m e d s i n f l u e n c eo f a g g r e g a t es h a p ea n d s i z eo nt h ea v e r a g ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea g g r e g a t ea n ds a n d sw a si n v e s t i g a t e da tm a c r o l e v e l a n dc o m p a r i s o n so nt h ep e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t em a d eo fd i f f e r e n ts i z e so fa g g r e g a t e sw e r e c a r r i e do u t s o m eo f t h et m d i n g so f t h i sr e s e a r c hw e r e ： m a n yc a l c i u mh y d r o x i d ec r y s t a l l i t e sw e r ef o r m e da tm a r b l e ( a ) a n dm a r b l e ( b ) 一c e m e n ti t z a n dh a dah i g h e rd e g r e eo f o r i e n t a t i o nc o m p a r e dt ot h a ti ns a n d s t o n e ( a ) a n ds a n d s t o n e ( b ) 一c e m e n t i t z a n dt h ec o m b i n a t i o no fs a n d s t o n e ( a ) - c e m e n ti t zi ne f f e c t i v ec o n t a c tz o n ew a sc l o s e rt h a n m a r b l e c e m e n ti t zd u et oc h e m i c a lb o n d f r o ml i n es c a na n a l y s i sb ye d x am e t h o d , i tw a s f o u n dt h a tt h ec o n t e n to f c aw a sh i g hi ns a n d s t o n e ( b ) 一c e m e n ti t z i i i 东尚 学坝 一学位沦支 m a n yi n d e p e n d e n tc l o s e dl a r g ep o r e sa p p e a r e da ts a n d s t o n e ( a ) c e m e n ti t zd u et ot h eh i g h w a t e ra b s o r p t i o no fa g g r e g a t e s ，w h i c hw o u l dw e a k e nt h eb o n db e t w e e na g g r e g a t ea n dc e m e n t p a s t e a n dt h e r ew a sn ol a r g ep o r ea ti t za r o u n dt h et h r e eo t h e ra g g r e g a t e s s a n d s t o n e ( b ) 一c e m e n t i t ze x h i b i t e dw e l lm i c r o s t r u c t u r ed u et oi t sl o ww a t e ra b s o r p t i o n t h ee x i s t e n c eo fl a r g ep o r e si ns a n d s t o n e ( a ) 一c e m e n ti t zd e c r e a s e dt h ec o n n e c t e da r e aa n d u l t i m a t e l yr e d u c e dt h eb e n d i n gs t r e n g t ho fi t z ，w h i c ha l s od e t e r i o r a t e dt h ep e r m e a b f l i t yo fi t z t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi t z a n dt h ep e r m e a b i l i t yo f c o n c r e t ef o rm a r b l e ( b ) a n ds a n d s t o n e ( b ) w h i c hw o u l db es e l e c t e di nt h ed a m i ts h o w e dt h a tt h ec o n t e n to f u n h y d r a t e dc e m e n tg r a i n si ni t zd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ea g g r e g a t es i z e ，w h i l ep o r o s i t ya n dc a ( o h ) 2c o n t e n ti n c r e a s e d e i t h e rt h ea g g r e g a t es h a p eo rs i z ew o u l da f f e c tt h es a n dd i s t r i b u t i o nu n d e rt h ea g g r e g a t e s a n d su n d e rf l a k ea g g r e g a t ew e r ef a r t h e ra w a yf r o mt h ea g g r e g a t ec o m p a r e dt ot h es p h e r i c a l a g g r e g a t e ，w h i c hi m p l i e dt h a t1 t zu n d e rf l a k ea g g r e g a t ew a sw e a k e rt h a nt h eo n eu n d e rs p h e r i c a l a g g r e g a t e m o r e o v e r , t h es a n dd i s t r i b u t i o nu n d e rm a r b l e ( a ) a n ds a n d s t o n e ( a ) w a ss i m i l a r s o t h e r ew a sn o r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o b l e e d i n ga n da g g r e g a t et y p e ，h o w e v e r , t h ea g g r e g a t e s i z ea n ds h a p ee f f e c tm i c r o b l e e d i n gal o t c o n c r e t em a d eo fl a r g es i z e da g g r e g a t e sh a dh i g hp e r m e a b i l i t y , i tw a so b v i o u st h a tt h e i n f l u e n c eo f m i c r o - b l e e d i n go nt h ep e r m e a b i l i t yo f c o n c r e t ew a ss i g n i f i c a n t b ya d d i n gl i m e s t o n ep o w d e rw i t h1 0 ( m a s sf r a c t i o n ) o fc e m e n t ，t h ew a t e rr e t e n t i o na n d v i s c o s i t yo f f r e s hc o n c r e t ew e r ea d v a n c e d , a n dt h e r ew a sl e s sm i c r o - b l e e d i n ga n ds e g r e g a t i o n t h e p o r o s i t ya n dr e s i s t a n c eo f c h l o r i d ei o np e n e t r a t i o no f h a r d e n e dc o n c r e t em a d eo f l a r g ea g g r e g a t e s w e r er e m a r k a b l yi m p r o v e da tl a s t b e s i d e s ，t h er e s i s t a n c eo fc h l o d d ei o np e n e t r a t i o nw a sa l s o a f f e c t e db yt h ef i n e n e s so ft h el i m e s t o n e t h ef m e rt h el i m e s t o n ew a s t h eb e t t e rr e s i s t a n c eo f c h l o r i d ei o np e n e t r a t i o nw o u l db e b u tt h ee f f e c td e c r e a s e dw h e nt h ec o n t e n to fl i m e s t o n e i n c r e a s e dt o2 0 ( m a s sf r a c t i o n ) o fc e m e n t ，w h i c hw o u l dr e s u l tf r o mt h ep o o rg r a d i n go ff m e g r a i n s t h er e s i s t a n c eo fc h l o r i d ei o np e n e t r a t i o no fc o n c r e t ew a si m p r o v e db yf l ya s hd u et oi t s a b i l i t yo f c h l o r i d eb i n d i n g h o w e v e r , f l ya s hw a sn o tb e n e f i tt ot h er e s i s t a n c eo f w a t e rp e n e t r a t i o n a te a r l ya g e s t h eh e i g h to f s e e p a g ew a t e ri n c r e a s e dw i t ht h ec o n t e n to f f l ya s hf r o mo - 3 0 ( m a s s f r a c t i o n ) o fc e m e n t t h ec o n c r e t ee x h i b i t e dt h eb e s tr e s i s t a n c eo fw a t e rp e n e t r a t i o nw i t ha o p t i m u ma d d i t i v ec o n t e n to f1 0 ( m a s sf r a c t i o n ) o f c e m e n t t h ef u n d a m e n t a lr e a s o nw a st h a tt h e l i m e s t o n eh a das m a l l e rf i n e n e s st h a nf l ya s h ，t h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo fl i m e s t o n ew a s7 7 1 a m a n dt h eo t h e rw a s2 0 9 m a n dt h es m a l l e rp a r t i c l e sw e r eb e n e f i c i a lt ot h ep a r t i c l ep a c k i n ga n d e n s u r e dt h ep e r m e a b i l i t yo f c o n c r e t e k e yw o r d s ：m a r b l e ，s a n d s t o n e ，a g g r e g a t es i z e ，i t z ，p e r m e a b i l i t y , l i m e s t o n e p o w d e r , f l ya s h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：绰日期：叫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盟导师签名： 日期： 东陌大学硕七学位沧文 1 1 粗集料对混凝土的影响 第一章绪论 众所周知，大坝混凝土一般采用三级配或四级配集料，集料最大粒径达1 2 0 1 5 0m i l l ， 粗集料含量约占混凝士质量的6 0 7 0 ，胶凝材料仅占混凝上质量的8 1 0 。因此，粗 集料在大坝混凝土中，有着很重要的地位。 粗骨科( 一般包括碎石和卵石) 是水泥混凝土的主要组成成分之一。不同粒径的粗集料， 以不同级配组合，构成混凝土的基本骨架。集料的各项性能指标将直接影响到混凝士的施工 性能和使用性能。集料的主要技术性质包括：颗粒级配及粗细程度、颗粒形态和表面特征、 强度、坚同性、含泥量、泥块含量、有害物质及碱集料反应等。在普通混凝士中，由于其本 身各种物理力学性能要求较低，粗集料影响并不突出，通常只是在按b o l e m e y 公式( 或a b r u m s 定则) 确定水灰比后，简单考虑粗集料种类、最大粒径及用量的影响，而对其他许多质量特 性未作具体要求。 但是近年来，随着商胜能混凝土( h p c ) 的提出及其在工程中的广泛应用，发现粗集料的 其他许多特性，如自身强度、弹性模量、颗粒形状、级配组成、表面洁净度、吸水率等，对 混凝上的性能也有非常重要的影响；而其化学组成、热膨胀系数、导热系数、比热等热学特 性，与凝土的收缩与徐变、耐久性密切相关”，2 j 。 1 1 1 租集料种类对混凝土性能的影响 粗集料种类对混凝土性能的影响，主要体现在两个方面：一是其某些化学成分能与水 泥发生化学反应，从而产生某些有利或有害的影响；二是粗集料本身强度、变形特性与混凝 土强度、变形特性之间有密切关系。 ( 1 ) 化学成分对混凝土力学性能的影响 碱集料反应是混凝土产生耐久性破坏的重要原因之一，而且这种破坏一旦发生，混凝 土将产生整体性破坏而无法补救。破坏发生的原因是由于集料中的活性成分与水泥产生化学 反应，引起混凝土体积膨胀，从而使混凝土内部产生自应力，超过其承载能力而导致破坏失 效。 ( 2 ) 粗集料强度、弹性模量对混凝土力学性能的影响 一般来说，粗集料的强度应大于混凝土强度，变形特性( 以弹性模量表示) 应与水泥砂浆 的变形特性尽量接近，使两者受力、变形情况一致较为有利。衡量粗集料力学特性的标准方 法应为立方体抗压强度与弹性性能试验，但该试验需要岩石的切割、磨平，多数现场试验机 构尚不具备这样的条件，因此一般采用压碎指标试验代替。压碎指标除主要取决于岩石强度 外，还受粗集料针片状含量的影响。除此之外，粗集料的表观密度、吸水率对混凝土的耐久 东南大学硕士学位沦文 性，尤其是抗冻融性能有重要影响。集料的吸水也会导致和易性随时间而损失。 1 1 2 粗集料颗粒形状对混凝土性能的影响 粗集料的颗粒形状，按形成方式和表面粗糙度的不同，可分为碎石和卵石2 类。就力学 性能而言，碎石表面由于是新破碎面，粗糙、新鲜，化学活性也高，因而与砂浆的粘结力强， 在相同水灰比的条件下具有比卵石混凝土更高的强度。但在另一方面，碎石的片状含量一般 比卵石高，对混凝土的力学性能会有负面影响，尤以对抗折强度的损害更为显著。在对混凝 土拌和物和易性的影响方面，卵石表面由于较为光滑，相同水灰比拌合而成的混凝土具有比 碎石混凝土更好的和易性。2 类集料的上述差异直接影响到混凝j ：的配合比设计，因而在许 多情况下需要分别试验统计，获取不同的混凝土性能预测方程。粗集料颗粒形状的评定，除 按上述碎石、卵石划分外，进一步的描述还可按照英国b s 8 1 2 标准分为圆形、不规则形和有 棱角形3 类，具体、数字化的描述。可用棱角数试验口1 和颗粒球度试验确定。棱角数试验主 要用于定量化测定粗集料颗粒表面粗糙度，而三维比例的溯定则用颗粒球度描述比较准确， 当然简单地也可按照针片状含量试验进行评价。 1 1 3 粗集料颗粒级配对混凝土性能的影响 具有良好级配的集料，能够最大限度地减少孔隙率降低水泥砂浆的用量，从而节约水 泥，降低成本。而水泥用量的降低又可以减小混凝土的干缩，降低水化热，这对大体积混凝 土的浇筑是十分有利的。除此之外，良好的颗粒级配，还可以在用水量相同的情况下，提高 混凝土的和易性，具有显著的技术经济效果。颗粒级配优劣的评价理论主要有以下3 种t 4 1 ：( 1 ) 最大密度理论。最大密度理论认为孔隙率最小、密度最大的级配为最优级配。由富勒 ( w h f u l l e r ) 等人于1 9 0 1 1 9 0 7 年提出：( 2 ) 表面积理论。该理论认为，集料表面积越小，用 来包裹其表面的水泥浆用量越少，这种级配就是最优级配：( 3 ) 粒子干涉理论。粒子干涉理 论取上一级集料的间距恰好等于下一级集料的粒径，下一级集料填充其间不发生“干涉”的级 配作为最优级配。根据阻上3 种理论得出的最优级配，实际上是相近的，但是在实际应用中 却遇到了操作上的困难。为了便于级配优劣程度的数字化衡量和混凝土配合比的公式化计 算，必须找到一个不仅具有良好的级配判别性、评估的等价性和可靠性，而且能简单数字化 的参量。但要找到一种合适的方法却相当困难。普通混凝土拌合物中，假定水泥用量保持不 变，则粗集料的最大粒径越大，其比表面积就越小，需要的用水量也就越低。也就是说，随 着粗集料粒径的增大，混凝土的水灰比可以相应降低，这对提高混凝土强度，降低生产成本 是有利的。但是大颗粒集料内在缺陷发生的几率相对较高，而小颗粒集料相对致密，并且由 于其本身水灰比一般较低上述因素引起的降低水灰比作用不明显，却可以增加与水泥粘结 的面积，提高混凝土的强度。同时，粗集料粒径过大，会使砂浆和粗集料的界面粘结性能降 低，并且严重影响混凝土的抗渗、抗裂性能。 2 东南大学硕士学位沦文 1 1 4 租集料用量对混凝土性能的影响 粗集料在混凝土中存在一个最优用量问题。一定条件下，增加粗集料用量，可以降低 混凝土单位成本，减小混凝土收缩徐变，并增强抗腐蚀能力，从而提高混凝土的耐久性。同 时，由于粗集料本身具有比砂浆更高的强度在一定体积含量范围内还能相应提高混凝土强 度。但集料含量也不能太高，否则会使浆、集料界面粘结质量降低，混凝上整体性减弱，从 而降低混凝土强度与抗渗、抗冻性能。一般认为，普通混凝土中粗集料的最优含量约为5 0 ， 高强混凝土中该值稍高，可达6 0 左右。s t o c k 等的试验表明h ，粗集料体积含量为2 0 时， 混凝土抗压、抗拉强度都比纯水泥砂浆低，当该值达到3 0 q o 时，抗压、抗拉强度达到 最低值，而后随着粗集料含量的增加，混凝土抗拉、抗压强度和弹性模量会升高”】。 1 1 5 粗集料在大坝混凝土中的地位 在大坝混凝土中，集料的地位尤为重要，集料的选用是一犬问题。不同种类的集料，其 物理化学性质的不同会给混凝土的性能带来很大的差异。所以，集料的选用，应先研究其对 混凝上的作用机理，然后再去进行有目的性的选择。 在大坝混凝土中，还有一个突出的问题就是：粗集料的下沉以及集料下方微区泌水的影 响。粗集料的密度比水大2 3 倍，在振捣过程中，粗集料聚沉，使混合料不均匀，最终导致 抗渗性变差。同时由于内部水分的逸出受到大集料颗粒的阻滞，而在其周围形成水囊，造成 深部裂缝，当混凝土受到外力而遭破坏时，结构破坏往往从这里开始。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 界面过渡区微观结构的研究现状 集料种类和尺寸影响下的混凝土微观结构，主要从集料- 浆体界面的角度来研究。 从宏观上，混凝土可看作由集料颗粒分散在水泥浆体叶j 所组成的两相材料。从微观上看， 则显示出混凝土内部结构的复杂性。对微观结构的研究表明，在贴近大颗粒集料表面的硬化 水泥浆体结构，与系统中水泥石或砂浆的结构非常不同。在应力作用下，混凝土许多性能与 水泥浆集料界面结构的特性关系极大。因此，混凝土内部结构存在第三相，即界面过渡区 相。 1 9 6 3 年，h s u 等人系统地观察了混凝土的断裂过程，发现在加荷载前一些界面已开裂， 在载荷达7 0 破坏应力之前，裂缝主要在界面发生，超过这一荷载，裂缝开始向基相发展并 相互连通。集料尺寸越大，其与硬化水泥浆的界面越易开裂。l y u b i m o v e 首先在细观层次上 对界面进行了研究，提出界面过渡区的概念。他们用显微硬度测试技术发现在靠近集料表面 处，硬度最小，向基体发展，硬度逐渐增加，呈梯度变化，到1 0 0 9 r n 以后则为常数。此后， 更多的学者开始利用现代测试技术对硬化浆体与集料界面的组成、结构及成闶进行了进一步 3 东南大学硕上学位论文 的研究，从不同的角度证实界面过渡区内从集料表面到水泥浆本体，孔隙率由丈到小、晶体 粒子由多到少及结晶取向择优性逐渐变弱等梯度分布现象。 d i a m o n d 在第八届国际水泥化学会议上，对丁二混凝土界面徽结构的发展作了比较详细的 综述，提出界面区域是一富水区域，早期生长的c a ( o h ) ：与c s h 凝胶膜在界面处构成双膜层 结构，晶体生长具有取向性盼特点。界面区域存在较多空洞，是材料结构的薄弱环节 6 1 ( 见 图1 1 ) 。 图1 1 混凝土界面过渡区 7 1 虽然目前对界面过渡区的结构及形成机理的了解还不深入，但从破坏过程来看作为混 凝土的内部结构，界面过渡区至少具有以下几个方面的特点： ( 1 ) 界面过渡区中晶体比水泥浆本体中的粗大； ( 2 ) 界面过渡区中晶体有择优取向； ( 3 ) 界面过渡区比水泥浆本体具有更大、更多的孔隙。 这些特点决定了界面过渡区强度低，容易引发裂缝，并且裂缝易于传播，从而使界面 过渡区成为最薄弱的环节。集料与基体界面是一个固液- 气三相多孔体，对界面的粘结性能 起决定性作用。界面过渡区的性能主要取决于这些组成的性质、相对含量及它们之间的相互 作用。由于界面过渡区的显著结构是c h 晶体富集并产生取向性，晶体平均尺寸较大，孔隙 尺寸和孔隙率均较大，即界面存在着大量有缺陷的疏松的网络结构。虽然决定界面性质的园 4 东南大学顾上学位沦文 素很多，但c h 的取向和富集形成薄弱层界面是主要物理化学原因之一，它间接反映了界面 层的孔结构和致密性。所以要增强界面区尤其是强化最薄弱层，消除和减小界面层与基体间 的差异，必须减少c h 含量，打乱其取向性，减小界面微k 的水胶比，降低孔隙率。界面离 子浓度及其分布与水膜层的厚度有关。而水膜层的厚度在很大程度上取决于水灰比的大小， 它直接影响界面过渡区的性状和结构。随着水灰比的增大，水膜层变厚，其中离子浓度降低。 对硅酸盐水泥而言，水膜层中最先生成的晶体是钙矾石和氢氧钙石，在它们生长过程中，当 水灰比大时，将无约束地使晶体不仅生长得很大，而且易于在集料表面定向排列，使晶体孔 隙率增大，并有碍于c s h 凝胶与集料的接触。 由于离子浓度下降，水化生成的c s h 凝胶也必然减少，使得凝胶与集料表面接触点减 少。因此，界面形成疏松的网络结构，原始裂缝增多变大，界面粘结强度下降，削弱了界面 效应。因此，水灰比的变化，对界面过渡区性能的影响是很大的i s j 。 而水膜层的形成，是冈岩石物理性质( 吸水率) 不同而异的。对于不同种类岩石其 集料一浆体界面的形成过程还需要区别开来进行研究。对于砂岩集料，以往研究主要集中在 砂岩碱活性和用其配置的混凝土的宏观力学性能方面，其界面微观结构并没有太多研究。研 究表明9 , 1 0 1 ：由于砂岩具有黏弹性、多孔吸水等特性，与硅灰配合使用配制的混凝士试件在 应力作用下受力更加均匀，在极限荷载下有着更大的抗弯强度：用其配制的混凝土梁拥有更 大的极限力矩和挠度，但混凝土试件具有较大的干缩。 1 2 2 大坝混凝土中集料因素造成固液分离的研究现状 混凝土拌合物浇筑斤至初凝期间约几个小时里，拌台物呈塑性和半流动态，各组分间 由于密度不同，在重力作用下相对运动，集料与水泥下沉，水上浮，出现三种现象：泌水， 塑性沉降和塑性收缩。从而加重了混凝土的不均匀性( 见图1 2 ) 。 泥与骨料 图12 离析造成内外分层i “ 5 东南入学硕l 学位沧文 国内外一些碾压混凝土工程的钻孔取芯及压水试验资料表明，在混凝土集料分离部位由 于粗集料集中，所取的芯样集料间胶结差，强度较低，抗渗性能差，因此，防止和减少集料 分离，提高拌和物均匀性，是控制混凝土质量的重要内容之一u “。 工程施工中，针对集料的分离现象，通常采取如下改善措施：改善拌和物的粘聚性和均 匀性。包括选择最优配合比、投料顺序和拌和时间，保证碾压混凝士的粘聚性和均匀性。为 使混凝上拌和物具有较强的抗分离性，试验台理确定大集料所占的比例；选择合适的砂率， 保证充裕的砂浆含量，使集料周围有足够的胶凝材料，保证其粘聚性，最优工作度等。并制 定混凝土上坝运输过程、摊铺过程中防分离措施。 1 2 3 存在的问题 以往对集料性质的研究大多集中在微观结构和碱集料反应等方面，对普通集料的吸水性 带来的界面过渡区微观结构的差异并没有明确的解释，而如今大坝混凝土中，砂岩集料有可 能被大量选用，其最主要的物理特性( 吸水性) 给界面过渡区以及硬化混凝土带来的影响是 不容忽视的。 近些年来，集料的尺寸对混凝土的各项性能的影响，也有过广泛的研究，但并没有从微 观的角度去解释本质，只是单纯的从最大粒径的角度去和混凝土宏观性能建立联系。集料尺 寸因素下界面微观结构如何影响混凝十宏观性能这一问题有待解决。此外，集料尺寸的影响 在高流动性混凝土中表现突出，对于干硬性混凝土的影响研究还有待进一步加强。 1 3 本文的研究目的和意义 集料问题是建设锦屏一级水电站3 0 5 m 的混凝土双曲高拱坝时迫切需要解决的关键技术 经济问题，也是雅砻江流域梯级滚动开发中建设官地、桐子林等其他混凝土大坝面临的核心 技术经济问题之一。对锦屏一级，由于附近料场的大理岩人工碎石的质量波动大；母岩抗压 强度大部分为5 0 8 0 m p a ，部分甚至低于5 0 m p a ，超过i o o m p a 的很少。且用其生产的小粒 径租集料的针片含量高，人工砂的石粉含量达3 0 0 a r 4 0 。而且，国内外尚未见在重大工程 中使用大理岩集料的先例。倘若上述不能完全使用大理岩集料，锦屏一级是否能够使用其他 可能有潜在碱活性的集料呢。以上问题也是我国大规模基础设施建设高潮中面临的共性问 题。我国每年混凝土的总产量巨大，但混凝土可用的集料越来越少，好的料场也越来越少， 而社会对节约资源、可持续发展的要求却越来越高。如何利用中低品位集料是雅砻江水电开 发这样的大型工程研究的重要课题。 大坝混凝土中，大量选用大粒径集料。有资料表明，随着集料尺寸的变化，其界面过渡 区的厚度也会发生变化。而且大粒径集料在沉降过程中下方容易形成水囊，使得局部水灰比 变大。水灰比的变化很大程度上影响着基体以及过渡区的性能，面且在集料周围的孔结构与 基体中的孔结构是不一样的。虽然过渡层厚度并没有定论。但目前有一点是达成共识的，那 6 东南人学硕上学位论文 就是水灰比降低，过渡层厚度也会有一定程度的降低。 另外，大集料的离析造成聚集的大集料之间浆体疏松多孔，最终导致硬化混凝土抗渗性 变大，表现为实际混凝土抗渗性与去除大尺寸集料的湿筛混凝土抗渗性存在很大差距。因此， 对大粒径范围内集料的研究显得尤为重要。 本文的研究目的是揭示大理岩、砂岩的尺寸因素、表面几何特征、吸水率以及化学特性 等对新拌混凝土均匀性以及硬化混凝上界面过渡区物理和化学性质的影响，从而提出改善新 拌混凝土均匀性，增强界面过渡【以及大坝混凝土抗渗性的技术措施。 1 4 本文研究的内容 研究内容分为下面三点： ( 1 ) 大理岩、砂岩的集料一浆体界面特性及其对大坝混凝土抗渗性能的影响